基于藻体数量的不同氮素水平蓝藻生长模拟研究
2023-08-05 18:03:26
论文总字数：14779字
摘 要
蓝藻数量是蓝藻水华监测预警的重要指标之一。水体氮素水平是蓝藻生长的主要限制因子之一，本文以钝顶螺旋藻作为实验材料，在30℃条件下，设置0.25、0.5、2、6、12五个氮素水平在630LUX光照强度下培养，光照时间12h，黑暗条件12h，每24h测量蓝藻数量。基于采集的数据利用SLogistic模型拟合了蓝藻数量随时间变化的生长模型，得到不同氮素水平下SLogistic模型的三个特征参数a、k、xc的值，SLogistic模型拟合的决定系数R2在0.92884~0.99675之间。再分别对a、k、xc分析建立反演模型，在此基础上，最终构建了不同氮素水平下蓝藻藻体数量随时间变化的生长模型，经实验检验，该模型精准度较高。关键词：氮素水平；藻体数量；SLogistic模型；蓝藻生长模型
Abstract: The number of cyanobacteria is one of the important indicators for the monitoring and early warning of cyanobacterial blooms. The nitrogen concentration of water is one of the main limiting factors for the growth of cyanobacteria. In this paper, Spirulina platensis was used as experimental material. Spirulina platensis was brough up at five nitrogen levels of 0.25, 0.5, 2, 6, 12 under the condition of 30°C and 630 LUX light intensity. It was illuminated for 12 hours and in the dark for 12 hours .The number of cyanobacteria was measured every 24h. Based on the collected data, The Slogistic model was used to fit the growth of the cyanobacterial population over time. Three characteristic parameters a, k, and xc of the SLogistic model under different nitrogen levels were obtained. The determined coefficient R2 fitted to the SLogistic model was between 0.92884 and 0.99675. Then inversion models were established for the analysis of a, k and xc. Based on this, a model about the growth of cyanobacteria quantity over time under different nitrogen levels was constructed. The accuracy of the model was high after experimental verification.
Key words：Nitrogen; Cyanobacteria; SLogistic model; Growth model
目录
1 前言 3
2 材料与方法 4
2.1 实验材料 4
2.2 实验设备 4
2.3 实验方法 6
2.3.1 钝顶螺旋藻的扩培 6
2.3.2 钝顶螺旋藻藻种培养液指标测定 7
2.3.3 实验处理设置 7
2.4 数据采集 8
2.5 数据分析 8
3 不同氮素水平下蓝藻的生长曲线 8
4 蓝藻生长模型构建 9
4.1 蓝藻不同氮素水平SLogistic模型参数的提取 9
4.2 基于氮浓度的参数k反演模型 12
4.3 基于氮浓度的参数a反演模型 13
4.4 基于氮浓度的参数xc反演模型 14
4.5 基于藻体数量的不同氮素水平蓝藻生长模型构建及检验 14
4.5.1 不同氮含量蓝藻预测值与实测数量的吻合情况 14
4.5.2 预测不同氮含量时的蓝藻数量 16
结论 18
致谢 22
前言
水体富营养化是指大量含氮、磷等营养元素的物质进入水体后，导致水体中藻类、细菌等浮游生物大量繁殖，水体中氧含量急剧下降，鱼类及其他水生生物大量死亡的现象[1-3]。水体富营养化能引起水华、赤潮等灾害现象，严重时能破坏水生态系统和水功能[4, 5]，藻类中的毒素通过食物链进入水生生物体内[6]，进而被人类吸收，给人类健康带来极大的危害[7, 8]。在自然条件下，水体富营养化进程十分缓慢[9]，但是近年来，随着工业化进程的加快、人类活动的加剧，大量有机物随着未被处理的工业废水、生活污水等进入水体，水体富营养化进程大大加快[10]，目前，水体富营养化已成为世界严重水污染问题之一[11-13]。我国水体富营养化状况也较为严峻[14-17]，陈小锋等在对我国25个典型湖泊进行调查研究时发现，有52%的湖泊处于富营养化状态，并且近30年来，调研湖泊中的80%营养级水平都有所上升[18]。
蓝藻是水华发生的优势藻种[19-22]。蓝藻又称蓝细菌或蓝绿藻，是一类原始低等的大型原核生物，由单细胞或多细胞组成[23]。蓝藻不具有线粒体、内质网、高尔基体和液泡等细胞器，含叶绿素a但不含叶绿体，能进行产氧性光合作用[24, 25]。蓝藻分布极为广泛，有些蓝藻甚至可以在岩石表面[26-28]、60-85℃的温泉以及其他恶劣的环境中生存[29]。钝顶螺旋藻属于蓝藻门、蓝藻纲、段殖体目、颤藻科、 螺旋藻属[30-32]，其生长分为一般四个阶段：适应期（潜伏期）、对数生长期、稳定期和衰亡期，在适应期中，钝顶螺旋藻适应周围环境，生长较为缓慢；进入对数生长期后，钝顶螺旋藻开始呈现对数趋势快速生长。当钝顶螺旋藻生长到一定程度时，由于受到环境制约进入平稳期，钝顶螺旋藻生长平稳；随着营养物质的耗尽，钝顶螺旋藻大量死亡进入衰亡期。
我国许多湖泊都多次、大面积爆发过蓝藻水华灾害[33-35]。1999年昆明世博会期间，滇池蓝藻大面积爆发，严重爆发蓝藻水域面积多达20，厚度深达几十厘米，湖水成为绿油漆状，昆明第三自来水厂被迫停产。2007年5月，太湖蓝藻在梅梁湾和贡湖湾交界的贡湖水厂爆发[36]，取水口水源污染严重，江苏省无锡市200万人口的生活饮用水被影响。太湖曾在1990年7月、1994年7月、1995年7月和1998年8月四次爆发蓝藻水华，造成了高达数十亿的经济损失。2003年9月，巢湖闸段到东半湖烔炀蓝藻爆发，尤其是龟山一带，蓝藻遍及湖心，最厚区域深度可达一米以上，有浪无波，几乎形成“冻湖”。蓝藻水华的爆发，不仅给人们带来了巨大的经济损失，给生活造成了极大的不便，而且严重破坏了生态平衡[37]。因此，对水体中蓝藻藻体数量进行检测，建立蓝藻水华预警系统，有利于减少蓝藻水华的发生，减少蓝藻水华灾害带来的损失。
大量的研究显示，氮元素是蓝藻生长的限制因子之一[38-40]，在夏秋季为首要限制因子[19, 41]。因此，氮素水平可以用来预测水体中的蓝藻数量变化。目前对蓝藻生长模型的研究有很多，包括AQUATOX模型、生长动力学模型、生态模型、ELCOM-CAEDYM模型等。
AQUATOX模型是由美国环境保护局（EPA）于2006年12月开发研究的一种淡水生态系统模拟模型，能预测水体中的营养元素等多种环境因素在水中的变化规律以及其对水生生物的影响[42, 43]。生长动力学模型较多应用于水温、营养盐等方面对藻类间接影响的模拟，而对蓝藻水华直接进行模拟的应用很少[44, 45]。生态模型将藻类自身生长特性与环境影响因子结合的一系列复杂的生态过程用数学方式表达，得到定量化的结果[19, 46]。ELCOM-CAEDYM是澳大利亚西澳大学水研究中心开发的一种通用水生生态动力学模型，采用模块开发技术，利用公共数组传输机制与任一水体的动力学模型进行耦合。CAEDYM模型建立在传统的”N—P—Z”模型上，考虑了生物地球的化学变化过程与湖泊内源释放的碳（C）、氮（N）、磷（P）、金属(PT)等迁移与形态变化的过程，涵盖浮游生物、水生生物、微生物、细菌等生态系统过程，已经发展成一种基于过程的通用型水生生态系统动力学模型[47-49]。
现有蓝藻水华预测模型中几乎都将时间设置为不变参数，从而忽略了水体中氮含量等影响因素随时间变化对蓝藻生长的影响，无法描述蓝藻生长随时间变化的特征，从而难以实现蓝藻水华的准确预测。本文研究了钝顶螺旋藻数量随时间和氮素水平变化的生长规律，构建了蓝藻的生长模型，该模型可实现对不同氮素水平下蓝藻数量的动态实时监测，为预测和防治水体富营养化提供了有效的预测模型。
材料与方法
实验材料
钝顶螺旋藻藻种、扎鲁克培养基、硫酸铵、氢氧化钠、硼酸、盐酸、蒸馏水。本实验所用的化学试剂均为分析纯。
实验设备
Hydrolab（DS 5X，美国）、智能人工气候箱（ROM）、VELP凯氏定氮仪（UDK 152，意大利）、分析天平。
Hydrolab DS 5X（见图1）多参数水质监测仪测量蓝藻采用荧光检测法，探头释放波长为590nm的光线，水体中的藻蓝素吸收该光线后，释放出波长650nm的光线，通过测量该释放光线的强度来测量水中藻蓝素的含量，即为蓝藻的数量。
图1 Hydrolab DS 5X和手持柄
Fig.1 Hydrolab DS 5X and handle
人工气候箱（见图2）是指能够模拟自然环境的一种仪器，自然环境中的温度、湿度和光照等参数，都是人为不可控制的。而对于藻类的生长，又有最合适的温度、湿度等。如果对藻类的其中一个因子进行研究，我们需要保证其他参数因子不变化或者变化很小。而人工气候箱由全自动电脑控制，能够对箱体内的运行时间、温度、湿度和光照度都进行统一设置，并且设置完后程序会自动运行，而无需专人看管。
图2 智能人工气候箱
Fig.2 Smart artificial climate box
VELP凯氏定氮仪（见图3）可以自动完成对样品的定量加碱、加酸、自动蒸馏过程，当被测样品完全消解后，反应中释放的氨气与水蒸气经过冷凝管冷凝后，被收集在装有硼酸吸收液(含有甲基红——溴甲酚绿指示剂)的滴定瓶中，最后用标准酸液进行滴定。
图3 VELP凯氏定氮仪
Fig.3 VELP Kjeldahl meter
分析天平（见图4）是准确称量一定质量物质的仪器。分析天平是定量分析工作中不可缺少的重要仪器，一般是指能精确称量到0.0001克(0.1毫克)的天平。
图4 分析天平
Fig.4 Analytical balance
实验方法
钝顶螺旋藻的扩培
将50mL科研级钝顶螺旋藻藻种与1.5L纯水混匀，并加入10g扎鲁克培养基。将配置好的混合钝顶螺旋藻藻液置于无色透明手提桶中并于智能人工气候箱中扩培7天。智能人工气候箱设置参数为温度30℃，光照度630LUX，黑夜12h，白天12h。
钝顶螺旋藻藻种培养液指标测定
钝顶螺旋藻藻种培养液的测定指标有氮素水平、蓝藻数量。
将培养7天的钝顶螺旋藻藻液从智能人工气候箱中取出，静置2h，取出上层藻液，去除下层含有扎鲁克培养基颗粒的藻液。钝顶螺旋藻藻液使用凯氏定氮仪测出其氮含量，测量时使用浓度为40%的氢氧化钠，4%的硼酸，0.1910 的盐酸。对测得的三组数据取均值得24.5。使用Hydrolab DS 5X测出其蓝藻数量为36488。
实验处理设置
根据国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）[50]，湖泊富营养化程度按总氮（TN）含量可以分为超贫营养化（TN0.2）、贫营养化（0.2lt;TN0.5）、中营养化（0.5lt;TN1.0）、富营养化（1.0lt;TN1.5）、超富营养化（1.5lt;TN2.0）。本次实验根据水体富营养化程度设置了5个氮素水平梯度，总氮量分别为0.25、0.5、2、6、12。
根据公式计算得到需要添加的氮素质量，公式得到需要添加的硫酸铵质量，最终配制成8L的实验用藻类培养液（见表1）。
其中M添为需要添加的氮素质量；TN为总氮浓度；V总为培养液总体积，本实验为8L；N测为测得的藻液中的氮含量，本实验为24.5；V藻液为添加的藻液。
其中M硫酸铵为需要添加的硫酸铵质量，0.2119为硫酸铵中的氮含量。
表1 不同氮素水平钝顶螺旋藻培养液的制备
Tab.1 Preparation of Spirulina platensis culture solution with different nitrogen levels
编号 | 总氮浓度 （ ） | 钝顶螺旋藻藻液 （ ） | 纯水 （） | 硫酸铵（) |
N0 | 0.25 | 150 | 7.85 | 0 |
N1 N2 | 0.50 2.00 | 150 150 | 7.85 7.85 | 1.5 58.2 |
N3 N4 | 6.00 12.00 | 150 150 | 7.85 7.85 | 209.2 剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：14779字
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